2024年10月7日物理学领域顶级期刊《Physical Review X》发表了我院施夏清与上海交通大学张何朋-李赫-Masaki Sano小组及法国原子能委员会高级科学家Hugues Chaté关于自发涌动弱手性活性流体中超稳边界液流的研究工作，题为“Robust edge flows in swarming bacterial colonies”。研究展示了生命复杂系统中存在类似于凝聚态物理中受拓扑保护的边界流，保证菌落在超厘米级崎岖不平的边界产生稳健的细菌液流输运现象，启示了活性物质中利用粒子手性的一类新颖可靠的调控机制。
2005年，Science创刊125年之际发布了125个推动基础科学研究最具挑战性的问题,其中一问“为什么生命需要手性”？理解手性如何跨尺度传递到各种生命体的各个活性过程是个有趣带有普遍意义却难以回答的问题。例如，鞭毛细菌在游动时呈螺旋轨迹，但在密集悬浮液中显示的活性湍流动力学中似乎没有手性。在PRX新近发表的研究中，研究人员通过对Paenibacillus vortex菌落的多尺度动力学的实验和理论研究来尝试探讨微观手性的宏观表现这个问题。P. vortex细菌本身具有香蕉形外观，单个细菌在鞭毛持续驱动下运动轨迹具有明显的手性。但菌落中左右手性细菌在培养基表面分布基本相同，菌液整体上表现为没有明显手性的活性湍流。该研究发现在弯曲的超厘米级（细菌个体在微米级）外边界上存在宽广的极其稳固的顺时针环流（从菌落上方观察，见图1a-d），而在内部边界也存在类似的液流但逆时针流动（参见图1e）。
图1：Paenibacillus vortex菌落崎岖外边界超厘米级顺时针液流及其显微成像粒子流场示踪图（见a-d）以及内边界逆时针持续液流（见e）。
通过定量分析表明，这些稳固的边缘流的起源可以追溯到细菌个体层面令人意外的手性不对称（细菌鞭毛翻转受限），并且这种不对称性通过局部相互作用被放大，在边缘驱动稳定的液流。理论上可以用一个带有噪声的弱手性自驱动粒子与斯托克斯流体结合的模型，并通过引入边界作用来解释个体手性及粒子间相互作用对边界处宏观流动的作用。该模型准确地反映了实验观察结果（见图2）。模型揭示了局部向列对齐和流体动力学相互作用放大了个体运动中的微弱手性偏差，促进了强边缘流的形成。这些具有拓扑保护机制的自发流动行为提供了大尺度上的稳健的液流输运。
图2：弱手性自驱动粒子流体模型中各种边界下极其稳固的具有拓扑保护性质的边界流。
该研究工作得到国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目资助。
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041006
Phys. Rev. X 14, 041006 (2024) - Robust Edge Flows in Swarming Bacterial Colonies (aps.org)
